模拟CMOS集成电路设计课程设计实验报告(二级放大器的设计)

模拟CMOS集成电路设计课程设计报告

--------二级运算放大器的设计信息科学技术学院电子与科学技术系

一、概述：

运算放大器是一个能将两个输入电压之差放大并输出的集成电路。运算放大器是模拟电子技术中最常见的电路，在某种程度上，可以把它看成一个类似于BJT 或FET 的电子器件。它是许多模拟系统和混合信号系统中的重要组成部分。

它的主要参数包括：开环增益、单位增益带宽、相位阈度、输入阻抗、输入偏流、失调电压、漂移、噪声、输入共模与差模范围、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。

二、设计任务：

设计一个二级运算放大器，使其满足下列设计指标：

三、电路分析：

1.电路结构：

最基本的二级运算放大器如下图所示，主要包括四部分：第一级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。

2.电路描述：

输入级放大电路由PM2、PM0、PM1和NM0、NM1组成。PM0和PM1构成差分输入对，使用差分对可以有效地抑制共模信号干扰；NM0和NM1构成电流镜作为有源负载；PM2作为恒流源为放大器第一级提供恒定的偏置电流。

第二级放大电路由NM2和PM3构成。NM2为共源放大器；

PM3为恒流源作负载。

相位补偿电路由电阻R0和电容C0构成，跨接在第二级输入输出之间，构成RC米勒补偿。

此外从电流电压转换角度来看，PM0和PM1为第一级差分跨导级，将差分输入电压转换为差分电流。NM0和NM1为第一级负载，将差模电流恢复为差模电压。NM2为第二级跨导级，将差分电压信号转换为电流，而PM3再次将电流信号转换成电压信号输出。

偏置电压由V0和V2给出。

3.静态特性

对第一级放大电路：

构成差分对的PM0和PM1完全对称，故有

G m1=g mp0=g mp1 (1)

第一级输出电阻

R out1=r op1||r on1 (2)

则第一级电压增益

A1=G m1Rout1=g mp0,1(r op1||r on1) (3) 对第二级放大电路：

电压增益

A2=G m2R out2= -g mn2(r on2||r op3) (4) 故总的直流开环电压增益

A0=A1A2= -g mp0,1g mn2(r op1||r on1)(r on2||r op3) (5)

由于所有的管子都工作在饱和区，所以对于gm 我们可以用公式 g m =D I L W )/(Cox 2μ (6) 进行计算；

而电阻r o 可由下式计算 r o =

D

I 1λ (7)

其中λ为沟道长度调制系数且λ∝1/L 。

4.频率特性

第一级输出节点到地的总电容C out1

C out1=C GDP1+C DBP1+C GDN1+C DBN1+C GSN2 （8） 第二级输出节点到地的总电容C ou t 2

C out2=C DBN2+C DBP3+C GDP3+C L (9) 列出KCL 方程： 0)(C G 20211

2

1=-+++

o i i out out i id m V V s V sC R V V （10）

0)(G 202out 2

22=-+++

i o o out o

i m V V sC V sC R V V （11）

联立（10）、（11）消去中间变量V i2得电路的传递函数为

1

)(22

1021++-=bs as R R sC G G V V out out m m id o （12）

其中a=[C out1C out2+C 0(C out1+C out2)]R out1R out2

b=C out1R out1+C out2R out2+C 0(G m2R out1R out2+R out1+R out2)

(13)

由式（12）可得零点

2

0222C g

C G f mn m Z ππ==

（14）

再看式（12）分母部分，对于形如as 2+bs+1=0的方程，如果有两个实根并相距很远，有s 1= -c/b, s 2= -b/a 。由此得两个实根分别为 )

R (1

s 21212022111out out out out mn out out out out R R R g C R C R C ++++-

= (15)

2

12102121212022112)]([)

R (out out out out out out out out out out mn out out out out R R C C C C C R R R g C R C R C s ++++++-

=

(16)

于是电路的主极点

)]

1([212220111out mn out out d R g C C R s f ++==

ππ (17)

而次级点

)

(22020121022

C C C C C C C g s f out out out out mn nd ++==

ππ (18)

由于C out2和C 0远大于C out1，而C out1中主要的部分为C GSN2，C out2中则以C L 为主，经过适当近似可得单位增益带宽为 0

1,002C g f A GBW mp d π=•= (19)

四、设计步骤： 1）原理图绘制

①根据设计好的电路图选择并添加需要的器件； ②将各个器件摆放好位置并连线；

③根据设计要求将V DD 设置成1.1V ，C L 设置成100fF ，输入交流